Какие две характеристики процессора зависят друг от друга

Обновлено: 24.11.2024

Это первое руководство из семинара "Начало работы с ливерморскими вычислениями". Он предназначен для предоставления лишь краткого обзора обширной и обширной темы параллельных вычислений в качестве вводной части для последующих руководств. Таким образом, он охватывает только самые основы параллельных вычислений и предназначен для тех, кто только знакомится с предметом и планирует посетить одно или несколько других руководств на этом семинаре. Он не предназначен для подробного рассмотрения параллельного программирования, так как это потребует значительно больше времени. Учебное пособие начинается с обсуждения параллельных вычислений — что это такое и как оно используется, после чего следует обсуждение концепций и терминологии, связанных с параллельными вычислениями. Затем исследуются темы параллельных архитектур памяти и моделей программирования. За этими темами следует серия практических дискуссий по ряду сложных вопросов, связанных с проектированием и выполнением параллельных программ. Учебник завершается несколькими примерами того, как распараллелить несколько простых задач. Ссылки включены для дальнейшего самостоятельного изучения.

Обзор

Что такое параллельные вычисления?

Последовательные вычисления

Традиционно программное обеспечение писалось для последовательных вычислений:

  • Задача разбита на отдельные серии инструкций.
  • Инструкции выполняются последовательно одна за другой
  • Выполняется на одном процессоре
  • В любой момент времени может выполняться только одна инструкция

Например:

Параллельные вычисления

Проще говоря, параллельные вычисления — это одновременное использование нескольких вычислительных ресурсов для решения вычислительной задачи:

  • Проблема разбивается на отдельные части, которые можно решать одновременно
  • Каждая часть далее разбита на серию инструкций.
  • Инструкции из каждой части выполняются одновременно на разных процессорах
  • Используется общий механизм контроля/координации

Например:

  • Вычислительная задача должна уметь:
    • Разбить на отдельные части работы, которые можно решать одновременно;
    • Выполнение нескольких программных инструкций в любой момент времени;
    • Решайте задачи быстрее, используя несколько вычислительных ресурсов, чем один вычислительный ресурс.
    • Один компьютер с несколькими процессорами/ядрами
    • Произвольное количество таких компьютеров, объединенных в сеть

    Параллельные компьютеры

    • Сегодня практически все автономные компьютеры параллельны с аппаратной точки зрения:
      • Несколько функциональных блоков (кеш L1, кэш L2, переход, предварительная выборка, декодирование, операции с плавающей запятой, обработка графики (GPU), целые числа и т. д.)
      • Несколько исполнительных блоков/ядер
      • Несколько аппаратных потоков

      • Сети соединяют несколько автономных компьютеров (узлов) для создания больших параллельных компьютерных кластеров.
      • Например, на приведенной ниже схеме показан типичный кластер параллельных компьютеров LLNL:
        • Каждый вычислительный узел сам по себе является многопроцессорным параллельным компьютером
        • Несколько вычислительных узлов объединены в сеть Infiniband.
        • Узлы специального назначения, также многопроцессорные, используются для других целей.
        • Большинство больших параллельных компьютеров (суперкомпьютеров) в мире представляют собой кластеры оборудования, произведенного несколькими (в основном) известными поставщиками.

        Зачем использовать параллельные вычисления?

        Реальный мир чрезвычайно сложен

        • В естественном мире множество сложных, взаимосвязанных событий происходит одновременно, но в рамках временной последовательности.
        • По сравнению с последовательными вычислениями параллельные вычисления гораздо лучше подходят для моделирования, имитации и понимания сложных явлений реального мира.
        • Например, представьте себе их последовательное моделирование:

        Основные причины использования параллельного программирования

        ЭКОНОМЬТЕ ВРЕМЯ И/ИЛИ ДЕНЬГИ
        • Теоретически, выделение большего количества ресурсов для выполнения задачи сократит время ее выполнения и потенциально сэкономит средства.
        • Параллельные компьютеры могут быть собраны из дешевых, широко распространенных компонентов.

        РЕШАТЬ БОЛЬШИЕ/БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

        ОБЕСПЕЧИТЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОСТЬ
        • Один вычислительный ресурс может одновременно выполнять только одну операцию. Несколько вычислительных ресурсов могут выполнять множество задач одновременно.
        • Пример. Сети для совместной работы представляют собой глобальную площадку, где люди со всего мира могут встречаться и работать «виртуально».

        ИСПОЛЬЗОВАТЬ НЕМЕСТНЫЕ РЕСУРСЫ
        • Использование вычислительных ресурсов в глобальной сети или даже в Интернете, когда локальных вычислительных ресурсов недостаточно или недостаточно.
        • Пример. SETI@home (setiathome.berkeley.edu) насчитывает более 1,7 миллиона пользователей почти во всех странах мира (май 2018 г.).
        ЛУЧШЕ ИСПОЛЬЗОВАТЬ БАЗОВОЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
        • Современные компьютеры, даже ноутбуки, имеют параллельную архитектуру с несколькими процессорами/ядрами.
        • Параллельное программное обеспечение специально предназначено для параллельного оборудования с несколькими ядрами, потоками и т. д.
        • В большинстве случаев последовательные программы, запускаемые на современных компьютерах, «тратят впустую» потенциальную вычислительную мощность.

        Будущее

        Кто использует параллельные вычисления?

        Наука и техника

        Исторически параллельные вычисления считались «высшим уровнем вычислений» и использовались для моделирования сложных задач во многих областях науки и техники:

        • Атмосфера, Земля, Окружающая среда
        • Физика - прикладная, ядерная, частица, конденсированное состояние, высокое давление, термоядерный синтез, фотоника.
        • Бионаука, биотехнология, генетика
        • Химия, молекулярные науки
        • Геология, сейсмология
        • Машиностроение: от протезов до космических кораблей
        • Электротехника, схемотехника, микроэлектроника
        • Информатика, математика
        • Оборона, Оружие

        Промышленные и коммерческие

        Сегодня коммерческие приложения являются равной или даже большей движущей силой в разработке более быстрых компьютеров. Эти приложения требуют сложной обработки больших объемов данных. Например:

        Вот важные характеристики процессоров:

        Производитель и модель процессора

        Основной определяющей характеристикой процессора является его производитель AMD или Intel и его модель. Хотя конкурирующие модели двух компаний имеют схожие характеристики и производительность, вы не можете установить процессор AMD на материнскую плату, совместимую с Intel, и наоборот.

        Тип сокета

        Еще одной определяющей характеристикой процессора является сокет, для которого он предназначен. Например, если вы заменяете процессор на материнской плате Socket 478, вы должны выбрать процессор для замены, который предназначен для этого разъема. В Табл. 5-1 описаны проблемы с возможностью обновления в зависимости от сокета процессора.

        Таблица 5-1. Возможность модернизации в зависимости от типа сокета процессора

        Тактовая частота

        Тактовая частота процессора, которая указывается в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц), определяет его производительность, но тактовые частоты не имеют значения для разных процессорных линий. Например, процессор Pentium 4 с тактовой частотой 3,2 ГГц примерно на 6,7% быстрее, чем Pentium 4 с тактовой частотой 3,0 ГГц, как следует из относительных тактовых частот. Однако процессор Celeron с частотой 3,0 ГГц медленнее, чем процессор с частотой 2,0 ГГц.Pentium 4 с тактовой частотой 8 ГГц, в первую очередь потому, что Celeron имеет меньший кэш L2 и использует более низкую скорость хост-шины. Точно так же, когда был представлен Pentium 4 с тактовой частотой 1,3 ГГц, его производительность была фактически ниже, чем у процессора Pentium III с тактовой частотой 1 ГГц, который он должен был заменить. Это было верно, потому что архитектура Pentium 4 менее эффективна, чем более ранняя архитектура Pentium III.

        Тактовая частота бесполезна для сравнения процессоров AMD и Intel. Процессоры AMD работают на гораздо более низких тактовых частотах, чем процессоры Intel, но выполняют примерно на 50% больше работы за такт. Вообще говоря, AMD Athlon 64 с тактовой частотой 2,0 ГГц имеет примерно такую ​​же общую производительность, как Intel Pentium 4 с тактовой частотой 3,0 ГГц.

        Скорость хост-шины

        Скорость хост-шины, также называемая скоростью внешней шины, скоростью FSB или просто FSB, определяет скорость передачи данных. скорость между процессором и чипсетом. Более высокая скорость шины хоста способствует повышению производительности процессора, даже если процессоры работают с одинаковой тактовой частотой. AMD и Intel по-разному реализуют путь между памятью и кешем, но по сути FSB — это число, отражающее максимально возможное количество передач блоков данных в секунду. При фактической тактовой частоте хост-шины 100 МГц, если данные могут быть переданы четыре раза за такт (таким образом, «четырехкратная подкачка»), эффективная частота FSB составляет 400 МГц.

        Например, Intel производит процессоры Pentium 4, использующие частоты шины хоста 400, 533, 800 или 1066 МГц. Процессор Pentium 4 с тактовой частотой 2,8 ГГц и частотой главной шины 800 МГц немного быстрее, чем Pentium 4/2.8 с частотой главной шины 533 МГц, который, в свою очередь, немного быстрее, чем Pentium 4/2.8 с частотой главной шины 400 МГц. скорость автобуса. Одним из показателей, который Intel использует для дифференциации своих более дешевых процессоров Celeron, является более низкая скорость шины хоста по сравнению с текущими моделями Pentium 4. В моделях Celeron используется частота шины хоста 400 МГц и 533 МГц.

        Все процессоры AMD Socket 754 и Socket 939 используют скорость хост-шины 800 МГц. (На самом деле, как и Intel, AMD использует хост-шину на частоте 200 МГц, но увеличивает ее в четыре раза до эффективных 800 МГц.) Процессоры Socket A Sempron используют хост-шину с частотой 166 МГц, с двойной накачкой до эффективной скорости хост-шины 333 МГц. .

        Размер кеша

        Процессоры используют два типа кэш-памяти для повышения производительности за счет буферизации передачи между процессором и относительно медленной основной памятью. Размер кеша уровня 1 (кэш L1, также называемый кэш уровня 1) — это характеристика архитектуры процессора, которую нельзя изменить без перепроектирования процессора. Кэш уровня 2 (кэш уровня 2 или кэш L2) является внешним по отношению к ядру процессора, а это означает, что производители процессоров могут выпускать один и тот же процессор с разными размерами кэша L2. Например, различные модели процессоров Pentium 4 доступны с 512 КБ, 1 МБ или 2 МБ кэш-памяти второго уровня, а различные модели AMD Sempron доступны с 128 КБ, 256 КБ или 512 КБ кэш-памяти второго уровня.

        Для некоторых приложений, особенно тех, которые работают с небольшими наборами данных, увеличенный кэш L2 заметно повышает производительность процессора, особенно для моделей Intel. (Процессоры AMD имеют встроенный контроллер памяти, который в некоторой степени маскирует преимущества большего кэша L2.) Для приложений, работающих с большими наборами данных, больший кэш L2 дает лишь незначительное преимущество.

        Размер процесса

        Размер процесса, также называемый производственным размером, указывается в нанометрах (нм) и определяет размер наименьших отдельных элементов на кристалле процессора. AMD и Intel постоянно пытаются уменьшить размер процесса (так называемое сокращение кристалла), чтобы получить больше процессоров от каждой кремниевой пластины, тем самым снижая затраты на производство каждого процессора. Pentium II и ранние процессоры Athlon использовали техпроцесс 350 или 250 нм. Pentium III и некоторые процессоры Athlon использовали техпроцесс 180 нм. Последние процессоры AMD и Intel используют техпроцесс 130 или 90 нм, а будущие процессоры будут использовать техпроцесс 65 нм.

        Размер процесса имеет значение, потому что при прочих равных условиях процессор, использующий меньший размер процесса, может работать быстрее, использовать более низкое напряжение, потреблять меньше энергии и выделять меньше тепла. Процессоры, доступные в любой момент времени, часто используют разные размеры фабрик. Например, когда-то Intel продавала процессоры Pentium 4, использующие техпроцессы 180, 130 и 90 нм, а AMD одновременно продавала процессоры Athlon, использующие техпроцессы 250, 180 и 130 нм. При выборе процессора для обновления отдайте предпочтение процессору меньшего размера.

        Особые возможности

        Разные модели процессоров поддерживают разные наборы функций, некоторые из которых могут быть важны для вас, а другие — не иметь значения. Вот пять потенциально важных функций, доступных в некоторых, но не во всех современных процессорах. Все эти функции поддерживаются последними версиями Windows и Linux:

        SSE3 (Streaming Single-Instruction-Multiple-Data (SIMD) Extensions 3), разработанный Intel и теперь доступный для большинства процессоров Intel и некоторых процессоров AMD, представляет собой расширенный набор инструкций, предназначенный для ускорения обработка определенных типов данных, обычно встречающихся в обработке видео и других мультимедийных приложениях. Приложение, поддерживающее SSE3, может работать на 10–15–100 % быстрее на процессоре, который также поддерживает SSE3, чем на процессоре, который его не поддерживает.

        64-битная поддержка

        До недавнего времени все процессоры ПК работали с 32-битными внутренними путями данных. В 2004 году AMD представила 64-разрядную поддержку в своих процессорах Athlon 64. Официально AMD называет эту функцию x86-64, но большинство людей называют ее AMD64. Важно отметить, что процессоры AMD64 обратно совместимы с 32-разрядным программным обеспечением и запускают это программное обеспечение так же эффективно, как и 64-разрядное. Intel, отстаивавшая свою собственную 64-разрядную архитектуру с ограниченной совместимостью с 32-разрядными системами, была вынуждена представить собственную версию x86-64, которую она назвала EM64T (Extended Memory 64-bit Technology)<. /эм>. На данный момент поддержка 64-бит для большинства людей не важна. Microsoft предлагает 64-разрядную версию Windows XP, и большинство дистрибутивов Linux поддерживают 64-разрядные процессоры, но до тех пор, пока 64-разрядные приложения не станут более распространенными, использование 64-разрядного процессора на настольном компьютере практически не принесет пользы. Это может измениться, когда Microsoft (наконец-то) выпустит Windows Vista, в которой будут использоваться преимущества 64-разрядной поддержки и, вероятно, будет создано множество 64-разрядных приложений.

        Защищенное выполнение

        В Athlon 64 AMD представила технологию NX (No eXecute), а Intel вскоре последовала за ней со своей технологией XDB (eXecute Disable Bit). NX и XDB служат той же цели, позволяя процессору определять, какие диапазоны адресов памяти являются исполняемыми, а какие нет. Если код, например эксплойт с переполнением буфера, пытается запуститься в неисполняемом пространстве памяти, процессор возвращает операционной системе ошибку. NX и XDB обладают большим потенциалом для уменьшения ущерба, причиняемого вирусами, червями, троянскими программами и подобными эксплойтами, но требуют наличия операционной системы, поддерживающей защищенное выполнение, например Windows XP с пакетом обновления 2.

        Технология снижения энергопотребления

        И AMD, и Intel предлагают технологию снижения энергопотребления в некоторых моделях своих процессоров. В обоих случаях технология, используемая в мобильных процессорах, была перенесена на настольные процессоры, энергопотребление и тепловыделение которых стали проблематичными. По сути, эти технологии работают за счет снижения скорости процессора (и, следовательно, энергопотребления и выделения тепла), когда процессор простаивает или слегка загружен. Intel называет свою технологию снижения энергопотребления EIST (Enhanced Intel Speedstep Technology). Версия AMD называется Cool'n'Quiet. Любой из них может обеспечить незначительное, но полезное снижение энергопотребления, тепловыделения и уровня шума системы.

        Поддержка двухъядерных процессоров

        К 2005 году и AMD, и Intel достигли практических пределов возможностей одного процессорного ядра. Очевидным решением было поместить два процессорных ядра в один процессорный корпус. Опять же, AMD лидирует со своими элегантными процессорами серии Athlon 64 X2, которые имеют два тесно интегрированных ядра Athlon 64 на одном кристалле. Снова вынужденная играть в догонялки, Intel стиснула зубы и собрала двухъядерный процессор, который она назвала Pentium D. Разработанное AMD решение имеет ряд преимуществ, в том числе высокую производительность и совместимость практически со всеми старыми материнскими платами Socket 939. Небрежное решение Intel, которое сводилось к размещению двух ядер Pentium 4 на одном чипе без их интеграции, привело к двум компромиссам. Во-первых, двухъядерные процессоры Intel не имеют обратной совместимости с более ранними материнскими платами, поэтому для них требуется новый набор микросхем и новая серия материнских плат. Во-вторых, поскольку Intel более или менее просто приклеила два своих существующих ядра на один процессорный корпус, энергопотребление и тепловыделение чрезвычайно высоки, а это означает, что Intel пришлось снизить тактовую частоту процессоров Pentium D относительно самого быстрого одноядерного Pentium. 4 модели.

        При всем при этом Athlon 64 X2 ни в коем случае не является бесспорным победителем, потому что Intel была достаточно умна, чтобы установить привлекательную цену для Pentium D. Самые дешевые процессоры Athlon X2 продаются более чем в два раза дороже, чем самые дешевые процессоры Pentium D. Хотя цены, несомненно, упадут, мы не ожидаем, что разница в ценах сильно изменится. У Intel есть запасные производственные мощности, в то время как AMD весьма ограничена в своих возможностях производить процессоры, поэтому вполне вероятно, что двухъядерные процессоры AMD в обозримом будущем будут стоить дороже. К сожалению, это означает, что двухъядерные процессоры не являются разумным вариантом обновления для большинства людей.Двухъядерные процессоры Intel имеют разумную цену, но требуют замены материнской платы. Двухъядерные процессоры AMD можно использовать с существующей материнской платой Socket 939, но сами процессоры слишком дороги, чтобы быть подходящими кандидатами для большинства обновлений.

        Имена ядер и степпинги ядер

        ядро процессора определяет базовую архитектуру процессора. Процессор, продаваемый под определенным именем, может использовать любое из нескольких ядер. Например, первые процессоры Intel Pentium 4 использовали ядро Willamette. Более поздние варианты Pentium 4 использовали ядро Northwood, ядро ​​Prescott, ядро ​​Gallatin, ядро ​​Prestonia и ядро Prescott 2M. Точно так же различные модели Athlon 64 были произведены с использованием ядра Clawhammer, ядра Sledgehammer, ядра Newcastle, ядра Winchester, ядра Venice, ядра San Diego, ядра Manchester и ядра Toledo. .

        Использование имени ядра — это удобный сокращенный способ кратко указать многочисленные характеристики процессора. Например, ядро ​​Clawhammer использует техпроцесс 130 нм, кэш L2 объемом 1024 КБ и поддерживает функции NX и X86-64, но не SSE3 или двухъядерный режим. И наоборот, ядро ​​Manchester использует техпроцесс 90 нм, кэш L2 объемом 512 КБ и поддерживает функции SSE3, X86-64, NX и двухъядерные процессоры.

        Название ядра процессора можно представить как аналог основного номера версии программы. Подобно тому, как компании-разработчики программного обеспечения часто выпускают второстепенные обновления без изменения основного номера версии, AMD и Intel часто выпускают второстепенные обновления для своих ядер без изменения названия ядра. Эти незначительные изменения называются степпингами ядра. Важно понимать основы названий ядер, потому что ядро, используемое процессором, может определять его обратную совместимость с вашей материнской платой. Шаги обычно менее значительны, хотя на них тоже стоит обратить внимание. Например, конкретное ядро ​​может быть доступно в степпингах B2 и C0. В более позднем степпинге C0 могут быть исправлены ошибки, работать с меньшим охлаждением или давать другие преимущества по сравнению с более ранним степпингом. Степпинг ядра также имеет решающее значение, если вы устанавливаете второй процессор на двухпроцессорную материнскую плату. (То есть материнская плата с двумя процессорными сокетами, в отличие от двухъядерного процессора на материнской плате с одним сокетом.) Никогда, никогда не смешивайте ядра или степпинги на двухпроцессорной материнской плате таким образом, что это безумие (или, возможно, просто катастрофа).

        Наследие более ранних разработок, таких как разностная машина Бэббиджа и перфокартные системы мейнфреймов 1970-х годов, оказывают значительное влияние на современные компьютерные системы. В своей первой статье из этой исторической серии «История компьютеров и современные компьютеры для системных администраторов» я обсудил несколько предшественников современного компьютера и перечислил характеристики, определяющие то, что мы сегодня называем компьютером.

        В этой статье я расскажу о центральном процессоре (ЦП), включая его компоненты и функциональные возможности. Многие темы относятся к первой статье, поэтому обязательно прочитайте ее, если вы еще этого не сделали.

        Центральный процессор (ЦП)

        ЦП современных компьютеров — это воплощение «мельницы» в разностной машине Бэббиджа. Термин центральный процессор возник еще в далекие компьютерные времена, когда в одном массивном корпусе содержалась схема, необходимая для интерпретации программных инструкций машинного уровня и выполнения операций с предоставленными данными. Центральный процессор также завершил всю обработку всех подключенных периферийных устройств. Периферийные устройства включали принтеры, устройства чтения карт и ранние устройства хранения, такие как барабаны и дисководы. Современные периферийные устройства сами обладают значительной вычислительной мощностью и разгружают некоторые задачи обработки с ЦП. Это освобождает ЦП от задач ввода-вывода, так что его мощность применяется к основной задаче под рукой.

        Ранние компьютеры имели только один ЦП и могли выполнять только одну задачу за раз.

        Сегодня мы сохраняем термин ЦП, но теперь он относится к процессорному пакету на типичной материнской плате. На рис. 1 показан стандартный пакет процессоров Intel.

        Рис. 1. Процессор Intel Core i5 (Джуд МакКрени, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0).

        Здесь действительно не на что смотреть, кроме самого пакета процессора. Пакет процессора представляет собой микросхему, содержащую процессор(ы), запечатанную внутри металлического контейнера и установленную на небольшой печатной плате (ПК).Пакет просто вставляется в гнездо ЦП на материнской плате и фиксируется с помощью фиксирующего рычага. Процессорный кулер крепится к корпусу процессора. Существует несколько различных физических разъемов с определенным количеством контактов, поэтому, если вы собираете свои собственные компьютеры, очень важно подобрать правильный корпус, подходящий для разъема материнской платы.

        Как работает процессор

        Давайте рассмотрим ЦП более подробно. На рис. 2 представлена ​​концептуальная схема гипотетического ЦП, позволяющая упростить визуализацию компонентов. ОЗУ и системные часы заштрихованы, поскольку они не являются частью ЦП и показаны только для ясности. Кроме того, никакие связи между тактовым генератором ЦП и блоком управления и компонентами ЦП не используются. Достаточно сказать, что сигналы от тактового генератора и блока управления являются неотъемлемой частью любого другого компонента.

        Рисунок 2. Упрощенная концептуальная схема типичного процессора.

        Этот дизайн не выглядит особенно простым, но на самом деле все еще сложнее. Этой цифры достаточно для наших целей, но она не слишком сложная.

        Арифметико-логическое устройство

        Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет арифметические и логические функции, за которые отвечает компьютер. A и B регистры содержат входные данные, а накопитель получает результат операции. Регистр инструкций содержит инструкцию, которую должен выполнить АЛУ.

        Например, при добавлении двух чисел одно число помещается в регистр A, а другое — в регистр B. АЛУ выполняет сложение и помещает результат в аккумулятор. Если операция логическая, сравниваемые данные помещаются в регистры ввода. Результат сравнения, 1 или 0, помещается в аккумулятор. Независимо от того, является ли это логической или арифметической операцией, содержимое накопителя затем помещается в ячейку кэша, зарезервированную программой для результата.

        Существует еще один тип операций, выполняемых ALU. Результатом является адрес в памяти, который используется для вычисления нового местоположения в памяти, чтобы начать загрузку инструкций. Результат помещается в регистр указателя команд.

        Регистр инструкций и указатель

        Указатель инструкции указывает место в памяти, содержащее следующую инструкцию, которую должен выполнить ЦП. Когда ЦП завершает выполнение текущей инструкции, следующая инструкция загружается в регистр инструкций из ячейки памяти, на которую указывает указатель инструкции.

        После загрузки инструкции в регистр инструкций указатель регистра инструкций увеличивается на один адрес инструкции. Увеличение позволяет ему быть готовым к перемещению следующей инструкции в регистр инструкций.

        Кэш

        ЦП никогда не обращается напрямую к ОЗУ. Современные процессоры имеют один или несколько уровней кеша. Способность ЦП выполнять вычисления намного быстрее, чем способность ОЗУ передавать данные ЦП. Причины этого выходят за рамки этой статьи, но я расскажу об этом подробнее в следующей статье.

        Кэш-память быстрее системной ОЗУ и ближе к ЦП, поскольку находится на кристалле процессора. Кэш обеспечивает хранение данных и инструкции, чтобы ЦП не ждал, пока данные будут извлечены из ОЗУ. Когда центральному процессору нужны данные (а инструкции программы также считаются данными), кэш определяет, имеются ли уже данные, и предоставляет их центральному процессору.

        Если запрошенных данных нет в кеше, они извлекаются из ОЗУ и с помощью алгоритмов прогнозирования перемещают больше данных из ОЗУ в кеш. Контроллер кэша анализирует запрошенные данные и пытается предсказать, какие дополнительные данные потребуются из оперативной памяти. Он загружает ожидаемые данные в кеш. Храня некоторые данные ближе к ЦП в кеше, который быстрее, чем ОЗУ, ЦП может оставаться занятым и не тратить циклы на ожидание данных.

        Наш простой ЦП имеет три уровня кэша. Уровни 2 и 3 предназначены для прогнозирования того, какие данные и программные инструкции потребуются в следующий раз, для перемещения этих данных из ОЗУ и перемещения их как можно ближе к ЦП, чтобы они были готовы, когда это необходимо. Эти размеры кэша обычно варьируются от 1 МБ до 32 МБ в зависимости от скорости и предполагаемого использования процессора.

        Кэш уровня 1 расположен ближе всего к центральному процессору. В нашем процессоре есть два типа кеша L1. L1i — это кэш инструкций, а L1d — кэш данных. Размер кэша уровня 1 обычно составляет от 64 КБ до 512 КБ.

        Блок управления памятью

        Блок управления памятью (MMU) управляет потоком данных между основной памятью (ОЗУ) и ЦП.Он также обеспечивает защиту памяти, необходимую в многозадачных средах, и преобразование адресов виртуальной памяти в физические адреса.

        Часы процессора и блок управления

        Все компоненты ЦП должны быть синхронизированы для бесперебойной совместной работы. блок управления выполняет эту функцию со скоростью, определяемой тактовой частотой, и отвечает за управление операциями других блоков с помощью сигналов синхронизации, которые распространяются на ЦП.< /p>

        Оперативная память (ОЗУ)

        Хотя ОЗУ или основное хранилище показаны на этой и следующей диаграммах, на самом деле они не являются частью ЦП. Его функция заключается в хранении программ и данных, чтобы они были готовы к использованию, когда они потребуются процессору.

        Как это работает

        ЦП работают по циклу, который управляется блоком управления и синхронизируется с часами ЦП. Этот цикл называется циклом инструкций ЦП и состоит из ряда компонентов выборки/декодирования/выполнения. Инструкция, которая может содержать статические данные или указатели на переменные данные, извлекается и помещается в регистр инструкций. Команда декодируется, и любые данные помещаются в регистры данных A и B. Инструкция выполняется с использованием регистров A и B, а результат помещается в аккумулятор. Затем ЦП увеличивает значение указателя инструкции на длину предыдущего и начинает заново.

        Базовый цикл инструкций ЦП выглядит следующим образом.

        Рисунок 3. Базовый цикл инструкций ЦП.

        Потребность в скорости

        Хотя базовый ЦП работает хорошо, ЦП, работающие в этом простом цикле, можно использовать еще эффективнее. Существует несколько стратегий повышения производительности ЦП, и здесь мы рассмотрим две из них.

        Ускорение цикла инструкций

        Одной из проблем, с которой столкнулись первые разработчики ЦП, была трата времени на различные компоненты ЦП. Одной из первых стратегий повышения производительности ЦП было перекрытие частей цикла инструкций ЦП для более полного использования различных частей ЦП.

        Например, когда текущая инструкция декодирована, следующая извлекается и помещается в регистр инструкций. Как только это произошло, указатель инструкции обновляется адресом памяти следующей инструкции. Использование перекрывающихся циклов команд показано на рисунке 4.

        Рисунок 4. Цикл инструкций ЦП с перекрытием.

        Этот дизайн выглядит красиво и плавно, но такие факторы, как ожидание ввода-вывода, могут нарушить поток. Отсутствие правильных данных или инструкций в кэше требует, чтобы MMU находил правильные данные и перемещал их в ЦП, а это может занять некоторое время. Для выполнения некоторых инструкций также требуется больше циклов ЦП, чем для других, что мешает плавному перекрытию.

        Тем не менее, это мощная стратегия повышения производительности ЦП.

        Гиперпоточность

        Еще одна стратегия повышения производительности ЦП — гиперпоточность. Гиперпоточность заставляет одно ядро ​​процессора работать как два процессора, предоставляя два потока данных и инструкций. Добавление второго указателя инструкций и регистра инструкций к нашему гипотетическому ЦП, как показано на рис. 5, заставляет его функционировать как два ЦП, выполняя два отдельных потока инструкций в течение каждого командного цикла. Кроме того, когда один поток выполнения останавливается в ожидании данных (опять же, инструкции также являются данными), второй поток выполнения продолжает обработку. Каждое ядро, реализующее гиперпоточность, эквивалентно двум ЦП по способности обрабатывать инструкции.

        Рис. 5. Концептуальная схема ЦП с технологией Hyper-Threading.

        Помните, что это очень упрощенная схема и объяснение нашего гипотетического процессора. Реальность гораздо сложнее.

        Дополнительная терминология

        Я столкнулся с множеством различных терминов ЦП. Чтобы более точно определить терминологию, давайте рассмотрим сам ЦП с помощью команды lscpu.

        Процессор Intel, показанный выше, представляет собой корпус, который подключается к одному разъему на материнской плате. Пакет процессора содержит шесть ядер. Каждое ядро ​​поддерживает гиперпоточность, поэтому каждое из них может одновременно запускать два потока, что в сумме дает 12 ЦП.

        • Ядро. Ядро — это наименьшая единица физического оборудования, способная выполнять задачу обработки. Он содержит одно АЛУ и один или два набора вспомогательных регистров. Второй набор регистров и поддерживающих схем обеспечивает гиперпоточность. Одно или несколько ядер можно объединить в один физический пакет.
        • ЦП. Логический аппаратный блок, способный обрабатывать один поток выполнения. Современное использование термина центральный процессор относится к общему количеству потоков, которые процессорный пакет может выполнять одновременно. Одноядерный процессор, не поддерживающий гиперпоточность, эквивалентен одному процессору. В этом случае ЦП и ядро ​​являются синонимами. Процессор Hyper-Threading с одним ядром является функциональным эквивалентом двух процессоров. Процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading с восемью ядрами функционально эквивалентен 16 процессорам.
        • Пакет – физический компонент, содержащий одно или несколько ядер, как показано на рис. 1 выше.
        • Процессор. 1) Устройство, которое обрабатывает инструкции программы для обработки данных. 2) Часто используется как синоним пакета.
        • Сокет. Иногда используется как синоним пакета, но более точно относится к физическому сокету на материнской плате, в который вставляется корпус процессора.

        Термины сокет, процессор и пакет часто используются взаимозаменяемо, что может вызвать некоторую путаницу. Как видно из приведенных выше результатов команды lscpu, Intel предоставляет нам собственную терминологию, и я считаю ее авторитетным источником. На самом деле мы все используем эти термины по-разному, но если мы понимаем друг друга в любой момент времени, это действительно важно.

        Обратите внимание, что указанный выше процессор имеет два кэша уровня 1 по 512 КиБ каждый: один для инструкций (L1i) и один для данных (L1d). Кэш уровня 1 находится ближе всего к ЦП, и он ускоряет работу, разделяя инструкции и данные на этом этапе. Кэши уровня 2 и уровня 3 больше, но инструкции и данные сосуществуют в каждом из них.

        Что все это значит?

        Хороший вопрос. На заре мейнфреймов каждый компьютер имел только один ЦП и не мог одновременно запускать более одной программы. Мейнфрейм может выполнять расчет заработной платы, затем учет запасов, затем выставление счетов клиентам и т. д., но одновременно может выполняться только одно приложение. Каждая программа должна была завершиться, прежде чем системный оператор мог запустить следующую.

        В некоторых ранних попытках одновременного запуска нескольких программ применялся простой подход, направленный на более эффективное использование одного процессора. Например, программа1 и программа2 были загружены, а программа1 выполнялась до тех пор, пока не была заблокирована в ожидании ввода-вывода. В этот момент программа2 работала до тех пор, пока не была заблокирована. Такой подход назывался многопроцессорной обработкой и позволял полностью использовать ценное компьютерное время.

        Все ранние попытки многозадачности включали очень быстрое переключение контекста выполнения одного ЦП между потоками выполнения нескольких задач. Эта практика не является настоящей многозадачностью, как мы ее понимаем, потому что в действительности одновременно обрабатывается только один поток выполнения. Правильнее будет назвать это разделением времени.

        Все современные компьютеры, от смарт-часов и планшетов до суперкомпьютеров, поддерживают настоящую многозадачность с несколькими процессорами. Наличие нескольких процессоров позволяет компьютерам выполнять множество задач одновременно. Каждый ЦП выполняет свои функции одновременно со всеми остальными ЦП. Восьмиъядерный процессор с технологией Hyper-Threading (т. е. 16 ЦП) может одновременно выполнять 16 задач.

        Заключительные мысли

        Мы рассмотрели концептуальный и упрощенный ЦП, чтобы немного узнать о структурах. В этой статье я лишь поверхностно коснулся функциональности процессора. Вы можете узнать больше, воспользовавшись встроенными ссылками на изученные нами темы.

        Помните, что схемы и описания в этой статье носят чисто концептуальный характер и не представляют реальный ЦП.

        В следующей части этой серии статей я рассмотрю оперативную память и дисковые накопители как разные типы хранилищ и поясню, почему каждый из них необходим современным компьютерам.

        Благодаря технологиям, целям повышения производительности, более быстрому Интернету и большему количеству устройств мы создали потребность в скорости, где бы мы ни находились. Мы привыкли получать результаты мгновенно и ожидаем, что наши устройства будут соответствовать нашим запросам, когда мы многозадачны на протяжении всей жизни. Компьютерные процессоры и их тактовая частота — это две характеристики, которые чаще всего ассоциируются с высокопроизводительной и быстрой технологией.

        Скорость процессора компьютера (тактовая частота процессора) — один из наиболее важных параметров, который следует учитывать при сравнении компьютеров.Процессор часто называют «мозгом» вашего компьютера, поэтому обеспечение его правильной работы очень важно для долговечности и функциональности вашего компьютера. Понимание того, что обеспечивает хорошую скорость процессора, начинается с понимания того, что именно делает процессор и что делают его компоненты для улучшения функциональности вашего компьютера.

        Давайте подробно рассмотрим, что делает ваш ЦП быстрым, число ядер и тактовую частоту, что делает их важными и на что следует обратить внимание при покупке нового компьютера.

        Что такое процессор ПК и для чего он нужен?

        Центральный процессор или ЦП – это аппаратное обеспечение, которое позволяет вашему компьютеру взаимодействовать со всеми установленными приложениями и программами. ЦП интерпретирует инструкции программы и создает выходные данные, с которыми вы взаимодействуете, когда используете компьютер.

        Процессор состоит из оборудования, которое работает вместе для доставки информации, позволяя вашему компьютеру выполнять задачи, которые вы запрашиваете, когда открываете приложение или вносите изменения в файл. Независимо от того, обрабатывается он быстро или мучительно медленно, это может сильно повлиять на ваш опыт работы с компьютером.

        Ядра процессора и тактовая частота определяют, сколько информации может быть получено за раз и как быстро эта информация может быть обработана на вашем компьютере. Скорость, с которой работают ядра вашего компьютера и тактовая частота, считается скоростью его обработки.

        Ядра процессора и тактовая частота

        Ядра процессора и тактовая частота — это совершенно разные функции, но они служат одной цели. Многие технические специалисты говорят о том, чему следует уделять больше внимания при покупке компьютера, но они в равной степени зависят друг от друга, чтобы помочь вашему компьютеру работать наилучшим образом.

        Знание различий между ними может помочь вам лучше понять, что делает каждый из них и какая скорость процессора вам нужна в зависимости от того, как вы планируете использовать свой компьютер. Если вы планируете использовать свой компьютер для сложного редактирования видео, а не только для стандартных программ и просмотра веб-страниц, у вас будут другие требования к ядру процессора и тактовой частоте. Давайте рассмотрим эти две технологии и цифры, на которые следует обращать внимание при сравнении компьютеров.

        Что такое ядро ​​процессора?

        Ядра процессора – это отдельные процессорные блоки центрального процессора (ЦП) компьютера. Ядро процессора получает инструкции от одной вычислительной задачи, работая с тактовой частотой, чтобы быстро обрабатывать эту информацию и временно сохранять ее в оперативной памяти (ОЗУ). Постоянная информация сохраняется на вашем жестком диске, когда вы ее запрашиваете.

        Большинство компьютеров теперь имеют несколько ядер процессора, что позволяет вашему компьютеру выполнять несколько задач одновременно. Возможность запуска многочисленных программ и выполнения нескольких задач, таких как внесение изменений в документ, просмотр видео или открытие новой программы, стала возможной благодаря многоядерным процессорам.

        Для сложных видеоигр или программ очень важно иметь ЦП, способный справляться с такой информацией, как быстро распространяемые аудио- и видеопотоки. В эпоху цифровых технологий, когда все мы умеем работать в режиме многозадачности, процессорные ядра становятся все более важными для пользователей компьютеров.

        Несколько ядер процессора и технология Hyper-Threading практически необходимы как для игровых, так и для повседневных компьютеров. Наличие нескольких ядер процессора дает вам возможность повысить производительность на работе, играть в сложные видеоигры или исследовать новый мир с виртуальной реальностью.

        Что такое тактовая частота?

        Тактовая частота процессора компьютера определяет, насколько быстро центральный процессор (ЦП) может извлекать и интерпретировать инструкции. Это поможет вашему компьютеру выполнять больше задач, выполняя их быстрее.

        Тактовые частоты измеряются в гигагерцах (ГГц). Чем больше число, тем выше тактовая частота. Многоядерные процессоры были разработаны, чтобы помочь процессорам работать быстрее, поскольку увеличить тактовую частоту стало сложнее.

        Более высокая тактовая частота означает, что вы увидите, что задачи, заказанные вашим ЦП, выполняются быстрее, что делает вашу работу более удобной и сокращает время, которое вы ожидаете, чтобы взаимодействовать с вашими любимыми приложениями и программами.

        Как выбрать большее количество ядер процессора или более высокую тактовую частоту?

        Как мы упоминали ранее, для работы вашего компьютера необходимы как ядра процессора, так и тактовая частота. Покупка компьютера с несколькими ядрами и сверхвысокой тактовой частотой звучит идеально, но что все это на самом деле означает для функциональности вашего компьютера?

        По сути, наличие высокой тактовой частоты, но всего одного или двух ядер означает, что ваш компьютер сможет быстро загружать одно приложение и взаимодействовать с ним. И наоборот, наличие большего количества ядер процессора, но меньшей тактовой частоты означает, что ваш компьютер может работать с большим количеством приложений одновременно, но каждое из них может работать немного медленнее.

        Сравнивая компьютеры, важно учитывать свой образ жизни. Не всем нужен одинаковый уровень вычислительных скоростей или ядер. Мы немного обсудим, чем игровые компьютеры и повседневные рабочие или персональные компьютеры различаются, когда речь заходит об этих функциях. Во-первых, мы узнаем, что это означает для ноутбуков и настольных компьютеров.

        Что такое хорошая скорость процессора для ноутбука по сравнению с настольным компьютером?

        ЦП для ноутбуков отличаются от процессоров для настольных компьютеров. Если вам интересно, какая скорость процессора лучше для ноутбука или настольного компьютера, или просто какой стиль лучше всего подходит для вас, ознакомьтесь с важными различиями, которые следует учитывать, прежде чем совершать какие-либо действия по покупке.

        Примечание. Процессоры также могут влиять на аппаратное обеспечение компьютера, поэтому их важно учитывать, если у вас есть особые требования к оборудованию, например портативность ноутбука, или вам нужна надежность настольного компьютера с двумя дисплеями.

        Как правило, ноутбуки обладают меньшей мощностью и гибкостью, когда речь идет о процессорах. Они, безусловно, очень удобны для пользователей, которым нравится мобильность ноутбука, но если вам нужен сверхвысокоскоростной процессор или высокая тактовая частота, вы можете рассмотреть настольный компьютер, который удовлетворит ваши потребности в обработке данных.

        Благодаря потрясающим разработкам в области многоядерных процессоров и методов гиперпоточности ноутбуки теперь могут выстоять самостоятельно. Большинство ноутбуков оснащены двухъядерными процессорами, которые удовлетворяют потребности большинства повседневных пользователей. А некоторые используют четырехъядерные процессоры, которые могут повысить производительность вашего ноутбука.

        Настольные компьютеры могут генерировать больше энергии, чем ноутбуки, благодаря их надежному оборудованию, которое может привести к большей вычислительной мощности и более высокой тактовой частоте. Поскольку у них больше места в корпусе, чем у ноутбука, настольные компьютеры обычно имеют более совершенные системы охлаждения, что позволяет процессору продолжать усердно работать, не перегреваясь.

        ЦП настольного компьютера обычно можно удалить, в отличие от ЦП ноутбука, который встроен в материнскую плату. Это означает, что ЦП легче модернизировать или заменить на настольном ПК, чем на ноутбуке. Если вы выберете правильную для себя частоту процессора, вам не придется возиться с процессором.

        Независимо от того, используете ли вы ноутбук или настольный компьютер, вы в конечном итоге захотите подумать о том, для чего вы планируете использовать свой компьютер, поскольку это напрямую связано с необходимой вам скоростью процессора компьютера.

        Жажда скорости

        Игровые процессоры

        С годами игры становятся все более сложными и, кажется, развиваются с каждым днем. Все эти дополнительные функции и реалистичные впечатления требуют процессора, способного поддерживать вашу игру. В большинстве игр используется от 1 до 4 ядер, а многим требуется даже больше процессорных ядер для оптимальной работы. Четырёхъядерный процессор занимает безопасную зону, когда речь заходит о ядерных модулях.

        Такие игры, как World of Warcraft, постоянно улучшают игровой процесс благодаря обновленным игровым возможностям и игровым пространствам, требующим более мощной обработки. В играх с интенсивным использованием ЦП используется многоядерная технология, позволяющая объединить графику, звук и игру для создания гиперреалистичного игрового процесса.

        Одноядерный процессор лучше всего подходит для выполнения отдельных задач, но это может повлиять на вашу игру и замедлить работу. Большее количество ядер может повысить качество игрового процесса.

        Если вы серьезный геймер, который ценит целостность разработанного разработчиком опыта, вы можете рассмотреть четырехъядерный процессор или более мощный процессор, такой как процессор Intel® Core™ i7-8750H, установленный в 15-дюймовом ноутбуке HP OMEN. игровой ноутбук. Этот мощный процессор использует 6 ядер для отображения игрового пространства и реагирования на игровые приемы с непревзойденной гибкостью.

        Тактовая частота от 3,5 ГГц до 4,0 ГГц обычно считается хорошей тактовой частотой для игр, но важнее иметь хорошую производительность в однопоточном режиме. Это означает, что ваш ЦП хорошо справляется с пониманием и выполнением отдельных задач.

        Это не следует путать с одноядерным процессором. Наличие большего количества ядер означает, что ваш ЦП может понимать инструкции нескольких задач, а оптимальная однопоточность означает, что он может обрабатывать каждую из них по отдельности и очень хорошо.

        Видеоигры переносят вас в другой мир и дают вам возможность исследовать новые территории. Не позволяйте нехватке вычислительной мощности лишить ваш мир магии.

        Процессоры для повседневного использования

        Двухъядерный процессор обычно лучше всего подходит для повседневного использования. Он может работать в многозадачном режиме и сокращать время, затрачиваемое на ожидание открытия приложений или обновлений. Четырехъядерный процессор поможет вам поднять производительность на новый уровень и обеспечит согласованность для лучшего использования компьютера, независимо от того, над чем вы работаете.

        Если вы более творческий человек, который ежедневно редактирует видео или запускает сложные приложения, вы можете подумать о приобретении компьютера с большим количеством процессорных ядер и более высокой тактовой частотой, чтобы ваши приложения могли работать без сбоев. 15-дюймовая мобильная рабочая станция HP ZBook оснащена 6-ядерным процессором, специально разработанным для интенсивного редактирования и дизайна креативов.

        О тактовой частоте не так важно думать, если вы используете компьютер для выполнения основных задач, таких как периодическое потоковое видео или проверка электронной почты. Возможно, вам нужен ноутбук HP 14z с двухъядерным процессором для ежедневного базового использования. Эта модель способна легко справляться с общими задачами в традиционном пакете, который прост в использовании.

        Высокопроизводительные вычислительные процессоры

        Под высокопроизводительными вычислениями понимается использование компьютера с чрезвычайно сложными программами, интенсивно использующими данные. Высокоэффективными пользователями часто являются инженеры, исследователи, военные или правительственные пользователи.

        Эти пользователи постоянно запускают несколько программ и постоянно извлекают и вводят информацию в программные системы. Для таких вычислений обычно требуется более совершенный процессор и более высокая тактовая частота.

        Процессоры для иммерсивных вычислений и виртуальной реальности (VR)

        Как и в играх, дополненная реальность и виртуальная реальность зависят от высококачественной графики, звука и навигационных функций. Чтобы действительно почувствовать себя в новой реальности, необходим многоядерный процессор с высокой тактовой частотой.

        Выберите компьютер, который подходит именно вам

        Большинство людей знают, как выглядит их использование компьютера; либо вы геймер, либо нет, вы используете свой компьютер каждый день или нет. Знание этой информации о собственных привычках облегчает выбор процессора.

        Если вы одновременно запускаете много приложений или играете в сложные игры, вам, скорее всего, понадобится 4- или даже 8-ядерный процессор. Если вам нужен компьютер только для эффективного выполнения основных задач, возможно, вам подойдет двухъядерный процессор.

        Для вычислений с интенсивным использованием ЦП, таких как редактирование видео или игры, вам понадобится более высокая тактовая частота, близкая к 4,0 ГГц, в то время как для базовых вычислительных задач такая повышенная тактовая частота не требуется.

        Хотя ядра процессора и скорость важны, при покупке компьютера следует учитывать не только процессор. Вы также захотите подумать о том, какой компьютер вписывается в ваш образ жизни. У HP® есть парк ноутбуков и настольных компьютеров, который удовлетворит все ваши компьютерные потребности.

        Об авторе

        Софи Сируа является автором статей для HP® Tech Takes. Софи — специалист по созданию контента из Сан-Диего, освещающий последние новости в области технологий и цифровых технологий.

        Связанные теги

        Популярные статьи

        Также посетите

        Архивы статей

        Нужна помощь?

        Рекомендованная производителем розничная цена HP может быть снижена. Рекомендованная производителем розничная цена HP указана либо как отдельная цена, либо как зачеркнутая цена, а также указана цена со скидкой или рекламная цена. На скидки или рекламные цены указывает наличие дополнительной более высокой рекомендованной розничной цены зачеркнутой цены.

        Ultrabook, Celeron, Celeron Inside, Core Inside, Intel, логотип Intel, Intel Atom, Intel Atom Inside, Intel Core, Intel Inside, логотип Intel Inside, Intel vPro, Itanium, Itanium Inside, Pentium, Pentium Inside, vPro Inside , Xeon, Xeon Phi, Xeon Inside и Intel Optane являются товарными знаками корпорации Intel или ее дочерних компаний в США и/или других странах.

        Домашняя гарантия доступна только для некоторых настраиваемых настольных ПК HP. Необходимость обслуживания на дому определяется представителем службы поддержки HP. Заказчику может потребоваться запустить программы самопроверки системы или исправить выявленные неисправности, следуя советам, полученным по телефону. Услуги на месте предоставляются только в том случае, если проблема не может быть устранена удаленно. Услуга недоступна в праздничные и выходные дни.

        HP передаст ваше имя и адрес, IP-адрес, заказанные продукты и связанные с ними расходы, а также другую личную информацию, связанную с обработкой вашего заявления, в Bill Me Later®. Bill Me Later будет использовать эти данные в соответствии со своей политикой конфиденциальности.

        Подходящие продукты/покупки HP Rewards определяются как принадлежащие к следующим категориям: принтеры, ПК для бизнеса (марки Elite, Pro и рабочие станции), выберите аксессуары для бизнеса и выберите чернила, тонер и бумага.

        Читайте также: